橋面混凝土鋪裝層對(duì)主梁承載能力的影響分析

靳幫虎 傅正凱 梁瀟敏

(武漢華夏理工學(xué)院土木建筑工程學(xué)院 武漢 430223)

隨著橋梁的建設(shè)逐漸增多，橋面鋪裝層作為橋梁結(jié)構(gòu)重要的構(gòu)件之一，其受力特性研究及對(duì)整橋結(jié)構(gòu)受力分析的影響研究也越來(lái)越被重視。在混凝土梁式橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與荷載試驗(yàn)計(jì)算中，主梁是主要承重構(gòu)件，而鋪裝層主要起著傳遞車輛荷載的功能，往往被保守地當(dāng)作恒載來(lái)處理[1]；根據(jù)橋面鋪裝層的不同材料，鋪裝層與混凝土主梁的結(jié)合形式一般可分為強(qiáng)、弱2種連接形式；不同的連接形式對(duì)主梁及整橋的受力分析影響不同。因此，是否將橋面鋪裝層作為結(jié)構(gòu)承力構(gòu)件的一部分參與結(jié)構(gòu)計(jì)算，有待于理論計(jì)算及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的支撐。本文擬以一普通鋼筋混凝土梁為研究對(duì)象，針對(duì)橋面鋪裝結(jié)構(gòu)和主梁的強(qiáng)、弱2種不同結(jié)合形式，在不同鋪裝層厚度下進(jìn)行有限元模擬分析，并輔以結(jié)構(gòu)靜載試驗(yàn)印證。通過對(duì)比分析計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證橋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算模型中混凝土鋪裝層與主梁的合理的結(jié)合形式，為同類橋梁的設(shè)計(jì)和承載力評(píng)估提供理論依據(jù)[2-5]。

1 橋面鋪裝層的有限元分析

利用有限元分析軟件midas Civil 建立有限元分析模型[6]，分析鋪裝層對(duì)主梁承載能力影響的分析。分別建立鋪裝層與主梁強(qiáng)、弱2種結(jié)合形式，計(jì)算得到主梁位移、應(yīng)力云圖，模型參數(shù)如表1。

表1 模型參數(shù)表

通過有限元計(jì)算得到主梁位移、應(yīng)力云圖，見圖1～圖4。

圖1 強(qiáng)連接模型位移云圖

圖2 強(qiáng)連接模型應(yīng)力云圖

由圖1、圖2可見，在強(qiáng)連接形式下鋪裝層和主梁變形相互協(xié)調(diào)，相同荷載作用下?lián)隙入S著鋪裝層厚度的增加不斷減小，對(duì)同一截面的應(yīng)力分析可以發(fā)現(xiàn)，橫截面中性軸上移，上移幅度隨厚度的增加而增加。說明鋪裝層增加了受力構(gòu)件的截面尺寸，從而使中性軸發(fā)生上移，且與主梁共同受力提高了梁的剛度。

圖3 弱連接模型位移云圖

圖4 弱連接模型應(yīng)力云圖

由圖3、圖4可見，在相同弱連接形式荷載作用下，撓度隨著鋪裝層厚度的增加而增加，同一截面的應(yīng)力分析可以發(fā)現(xiàn)，橫截面中性軸沒有發(fā)生偏移，說明弱連接形式鋪裝層沒有增加受力構(gòu)件的截面，沒有和主梁一起工作也沒有替主梁承擔(dān)一部分荷載。在這種連接方式下鋪裝層就像是一個(gè)恒荷載加載到主梁上一樣。

通過強(qiáng)弱2種連接形式的對(duì)比分析得出：在相同荷載的作用下主梁變形在強(qiáng)連接形式下比弱連接形式小，強(qiáng)連接形式鋪裝層可以替主梁承擔(dān)一部分荷載而弱連接形式則不能；強(qiáng)連接形式可增大主梁的剛度，提高其承載能力。

2 鋪裝層單梁承載力實(shí)驗(yàn)

制作不同厚度鋪裝層矩形截面梁12根，進(jìn)行鋪裝層單梁承載力實(shí)驗(yàn)[7-8]，分級(jí)加載試驗(yàn)分析鋪裝層的受力狀態(tài)及破壞特征。梁幾何尺寸及加載示意圖見圖5。

圖5 加載示意圖(單位：mm)

通過試驗(yàn)采集試驗(yàn)梁變形、應(yīng)力數(shù)據(jù)及混凝土裂縫開展情況，以分析鋪裝層的工作性能及其對(duì)結(jié)構(gòu)承載力的影響，跨中荷載-位移曲線見圖6，跨中截面沿梁高混凝土應(yīng)力分布曲線見圖7。

圖6 跨中荷載-位移曲線圖

圖7 跨中截面沿梁高混凝土應(yīng)力分布曲線圖

由試驗(yàn)現(xiàn)象分析及圖中曲線對(duì)比可知，加了素混凝土鋪裝層后的試驗(yàn)梁仍符合適筋梁工作的3個(gè)階段，只不過彈性工作階段有所延長(zhǎng)。各試驗(yàn)梁對(duì)應(yīng)的開裂荷載和破壞荷載見表2。

表2 各試驗(yàn)梁開裂荷載和破壞荷載

由表2可見，試驗(yàn)結(jié)果與有限元模擬計(jì)算結(jié)果相接近，變化規(guī)律相類似。隨著鋪裝層厚度的增加試驗(yàn)梁的開裂荷載和破壞荷載增大，這說明鋪裝層能夠增大主梁的剛度，提高其承載能力。通過跨中截面混凝土應(yīng)力沿梁高分布圖分析可以得出鋪裝層可使試驗(yàn)梁截面中性軸位置上移的結(jié)論。

3 結(jié)語(yǔ)

本篇未進(jìn)行過多的動(dòng)力特性分析和結(jié)構(gòu)固有頻率的參數(shù)分析，是因?yàn)樵跇蛄簷z測(cè)方面，靜力測(cè)試非常重要?？紤]鋪裝層作為承力構(gòu)件后，截面中性軸上移，從而直接影響靜力測(cè)試結(jié)果?？紤]鋪裝層后使整體質(zhì)量比未考慮時(shí)偏大，剛度的改變與鋪裝層與主梁間結(jié)合形式有關(guān)，強(qiáng)連接時(shí)剛度改變量較大，弱連接時(shí)改變較小，不管哪種結(jié)合方式，固有頻率改變量都非常小，單純討論鋪裝層對(duì)固有頻率影響，意義不大。

本文以某普通鋼筋混凝土梁為研究對(duì)象，重點(diǎn)不在于鋪裝層的受力分析，而是針對(duì)混凝土主梁與鋪裝層不同的結(jié)合形式進(jìn)行了結(jié)構(gòu)有限元模擬計(jì)算和模型的結(jié)構(gòu)靜載實(shí)驗(yàn)；通過對(duì)比分析計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出混凝土鋪裝層是橋梁結(jié)構(gòu)承載力構(gòu)件的一部分的結(jié)論，因此，本文在于考慮鋪裝層作為承力構(gòu)件，使中性軸上移，而不同的鋪裝層厚度產(chǎn)生的上移效果不同，從而對(duì)靜力測(cè)試影響較大。本文最終提出了橋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算模型中混凝土鋪裝層與主梁的合理的結(jié)合形式，主要結(jié)論有：

1) 混凝土鋪裝層與混凝土梁結(jié)合形式為強(qiáng)連接形式，在這種連接形式下鋪裝層是結(jié)構(gòu)承力構(gòu)件的一部分，與主梁共同參與受力。

2) 不同厚度混凝土鋪裝層對(duì)主梁承載力影響不同，隨著鋪裝層厚度的增加，主梁的剛度增加，承載能力提高。

3) 施工工藝上盡可能選用強(qiáng)連接形式的鋪裝層，這種連接形式可以增大主梁的剛度，提高其承載能力。